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Mar 20, 2024

Polimero

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 267 (2023) Cita questo articolo 1099 Accessi 2 Citazioni Dettagli metriche I materiali che assorbono le microonde per ambienti difficili ad alta temperatura sono altamente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 267 (2023) Citare questo articolo

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I materiali che assorbono le microonde per ambienti difficili ad alta temperatura sono altamente desiderabili per le parti riscaldate aerodinamicamente e i punti caldi degli aerei indotti dalla combustione del motore. Questo studio riporta compositi ceramici con assorbimento di microonde ad alta temperatura eccellente e stabile nell'aria, costituiti da SiOC derivato da polimeri rinforzato con struttura nanofasica core-shell di ZrB2/ZrO2. I compositi ceramici fabbricati hanno un'interfaccia t-ZrO2 cristallizzata tra i domini ZrB2 e SiOC. I compositi ceramici presentano proprietà dielettriche stabili, che sono relativamente insensibili al cambiamento di temperatura dalla temperatura ambiente a 900 °C. La perdita di ritorno supera i −10 dB, soprattutto tra 28 e 40 GHz, a temperature elevate. Le proprietà stabili di assorbimento elettromagnetico (EM) ad alta temperatura sono attribuite alle proprietà dielettriche ed elettriche stabili indotte dalla struttura nanofase nucleo-guscio di ZrB2/ZrO2. Il t-ZrO2 cristallizzato funge da interfacce dielettriche su scala nanometrica tra ZrB2 e SiOC, che sono favorevoli all'introduzione di onde EM per migliorare la perdita di polarizzazione e l'assorbimento. L’esistenza dell’interfaccia t-ZrO2 modifica anche la conduttività DC dipendente dalla temperatura dei compositi ceramici ZrB2/SiOC rispetto a quella dei soli ZrB2 e SiOC. I risultati sperimentali dei test termomeccanici, del flusso a getto, dello shock termico e del vapore acqueo dimostrano che i compositi ceramici sviluppati hanno un'elevata stabilità in ambienti difficili e possono essere utilizzati come materiali strutturali che assorbono microonde a banda larga ad alta temperatura.

I materiali che assorbono microonde ad alta temperatura sono di grande interesse per le parti riscaldate aerodinamicamente di sistemi supersonici e ipersonici, come il cono della testa, l'ugello di ingresso e di scarico del motore e i gusci aerodinamici. Questi materiali vengono utilizzati per la dissipazione dell'onda elettromagnetica (EM) per ridurre la firma radar1,2,3. Le applicazioni di cui sopra richiedono non solo che i materiali resistano all'ossidazione ma mantengano anche un buon assorbimento delle microonde alle alte temperature. A causa della loro densità relativamente bassa e della buona resistenza alle alte temperature, i materiali ceramici sono considerati i materiali più adatti per tali applicazioni. Attualmente, le ceramiche che assorbono le microonde includono ceramiche a base di ossido e ceramiche a base non di ossido (SiC, SiCN e Si3N4) attraverso percorsi derivati ​​​​da polimeri. Ad esempio, i compositi SiC/SiO2 hanno mostrato una larghezza di banda di assorbimento effettiva (EAB, < − 10 dB) di 4,2 GHz con uno spessore di 2,8 mm a 500 °C nella banda X4. I compositi Cf/SiCNFs/Si3N4 avevano una perdita di ritorno (RL) pari a −20,3 dB a 800 °C per uno spessore di 2 mm5. L'EAB dei compositi SiCf/SiC è di 2,8 GHz con uno spessore di 2,5 mm a 600 °C per la banda X6.

Tra queste ceramiche o compositi ceramici, le ceramiche derivate dai polimeri (PDC) sono considerate promettenti ceramiche di assorbimento EM ad alta temperatura grazie alle loro proprietà elettriche e dielettriche regolabili, nonché alla temperatura di lavorazione relativamente bassa, all'eccellente resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e alla flessibilità nella progettazione e produzione7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. La riflettività media del SiC derivato dai polimeri è ~ − 9,9 dB a causa della formazione di SiC nanocristallino e dei nanodomini di carbonio liberi. Per migliorare ulteriormente l'assorbimento delle microonde dei PDC, nella matrice sono state incorporate fasi elettricamente conduttive per migliorare la perdita di conduzione. Ad esempio, dopo l'aggiunta di MWCNT, il RL minimo del PDC-SiBCN raggiunge −32 dB con un EAB di 3 GHz in banda X, mostrando una migliore capacità di assorbimento delle onde rispetto al SiBCN trattato alla stessa temperatura17. Il RL minimo dei ceramici SiC/SiOC ha raggiunto −61 dB a 8,6 GHz e l'EAB più ampio ha raggiunto 3,5 GHz nella banda X18.

Per applicazioni a temperature ancora più elevate, nei PDC sono state introdotte ceramiche elettricamente conduttive ad altissima temperatura (UHTC), come HfC e ZrB2, perché queste ceramiche non solo hanno un'eccellente conduttività elettrica, ma anche punti di fusione estremamente elevati, temperature elevate mantenimento delle proprietà meccaniche, eccellente resistenza alla corrosione e buona resistenza all'ossidazione alle alte temperature. Ad esempio, l'EAB dei compositi derivati ​​da polimeri (SiC/HfC/C)/SiO2 copre il 72% della banda X con uno spessore di 3,33 mm14. L'EAB dei compositi SiOC-ZrB2 derivati ​​​​da polimeri copre l'intera banda Ka con uno spessore di 3 mm a temperatura ambiente (RT)19.